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El control digital avanzado incrementa la eficiencia energética en aplicaciones de media y alta potencia

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La combinación de la flexibilidad del control de alimentación digital y la mayor eficiencia de los convertidores resonantes de tipo Inductor, Inductor, Condensador (LLC) pueden ayudar en el ámbito de las telecomunicaciones y en otras aplicaciones de media y alta potencia a minimizar el consumo de energía y a reducir los costes operativos del equipamiento.


ElcontrolEl control digital ofrece importantes ventajas de diseño como un elevado nivel de flexibilidad junto con altas prestaciones y alta fiabilidad, mientras que los convertidores resonantes LLC aumentan la eficiencia al reducir notablemente la potencia disipada por los MOSFET incluidos en un convertidor CC/CC.
Estas tecnologías pueden ayudar de manera conjunta a que las compañías puedan cumplir los objetivos de eficiencia establecidos por iniciativas como la ENERGY STAR Data Center Energy Efficiency Initiative y la 80 PLUS® Initiative. La ENERGY STAR Data Center Energy Efficiency Initiative se dirige al equipamiento y la infraestructura para las tecnologías de la información (TI), los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) y otros equipos responsables de los altos niveles de consumo de energía.


La iniciativa 80 PLUS® Initiative afronta el hecho de que algunas fuentes de alimentación ocupen buena parte de su tiempo trabajando con cargas muy inferiores al nivel en el cual se logra la máxima eficiencia. Esta iniciativa estipula que un 80% de eficiencia debería ser el mínimo para una fuente de alimentación de 115V que trabaje al 20%, 50% y 100% de su carga nominal. Se pueden conceder calificaciones de Platino, Oro, Plata y Bronce cuando una fuente supere estos niveles de eficiencia. Por ejemplo, para lograr la calificación de Bronce una fuente de 230V debe alcanzar una eficiencia del 81% al 20% y el 100% de su carga nominal y una eficiencia del 85% al 50% de la carga nominal. El mayor impulso para incrementar la eficiencia energética procede de los usuarios finales, que están incluyendo entre sus requisitos de compra la certificación de la fuente de alimentación según estas iniciativas.


El diseñador puede obtener fuentes de alimentación que ahorren energía al combinar la eficiencia de un convertidor resonante LLC y el control digital avanzado ofrecido por controladores de señal digital (digital signal controllers, DSC) como la familia dsPIC® de Microchip Technology. Estos DSC con pocas patillas ofrecen una potente capacidad para el proceso de señal digital (DSP) así como periféricos inteligentes de potencia optimizados para el control de alimentación digital.

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Fundamentos de los convertidores resonantes   
Al trabajar en modo resonante, en el punto en que la impedancia entre la entrada y la salida del circuito es mínima, se obtiene una mayor eficiencia. Por ejemplo, la potencia disipada por los MOSFET en un convertidor resonante LLC se puede reducir notablemente si se alimenta el MOSFET con una tensión senoidal o con una corriente senoidal, y conmutando cerca del cruce con el cero de tensión o corriente senoidal. Al conmutar el MOSFET cuando la tensión drenador-fuente está cerca de cero (conmutación a tensión cero o Zero Voltage Switching, ZVS) y en la transición de un estado del MOSFET a otro mientras la corriente a través del interruptor es cero (conmutación a corriente cero o Zero Current Switching, ZCS) se minimizan las pérdidas de conmutación en el MOSFET. Esta técnica de conmutación suave Elcontrol2también reduce el ruido en el sistema y proporciona una mejor respuesta en cuanto a interferencias electromagnéticas (EMI). Para sistemas de alta potencia y alta tensión, ZVS sería la topología más adecuada.


En un convertidor de conmutación resonante, la tensión o corriente senoidal se genera mediante elementos reactivos como condensadores e inductores. Las tres principales clases de convertidores resonantes son: convertidor resonante serie (SRC), convertidor resonante paralelo (PRC) y una combinación de ambos, el convertidor resonante serie-paralelo (SPRC). La Figura 1 muestra el diagrama de bloques del convertidor resonante de alto nivel y los tres tipos de circuitos de tanque resonante.


En el convertidor resonante serie, la carga se conecta en serie con el inductor y el condensador del tanque. La ganancia del tanque resonante es  1. Si bien el SRC puede funcionar sin carga, su tensión de salida no se puede regular. Para ZVS, el circuito necesita trabajar por encima de la resonancia en la región inductiva. Con una tensión de línea baja, el SRC trabaja más cerca de la frecuencia resonante.


En el PRC, la carga se conecta en paralelo con el condensador resonante. El PRC puede trabajar sin carga de salida y, a diferencia del SRC, su tensión de salida se puede regular sin carga. Para ZVS, el PRC también necesita trabajar por encima de la resonancia en la región inductiva. De forma parecida al SRC, con una tensión de línea baja el PRC trabaja más cerca de la frecuencia resonante; sin embargo, el PRC se diferencia al conducir corrientes elevadas. El inductor serie y el condensador paralelo ofrecen protección frente a cortocircuitos.


En un SPRC, el circuito tanque es una combinación de convertidores serie y paralelo y pueden funcionar en configuración LCC o LLC. De forma parecida al SRC y el PRC, un diseño de SPRC LCC no se puede optimizar con una tensión de entrada elevada. Como resultado de ello, la mejor alternativa para muchas aplicaciones es un LLC como el mostrado en la Figura 1.

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El convertidor LLC puede trabajar en resonancia, a la tensión de entrada nominal, y puede trabajar sin carga. Además, se puede diseñar de forma que trabaje con un amplio rango de tensiones de entrada. Tanto la conmutación a tensión cero como a corriente cero son factibles en todo rango de funcionamiento.
Las prestaciones de un convertidor resonante se miden con varios parámetros. El factor de calidad (Q) de un circuito resonante es un parámetro adimensional que describe la cantidad de amortiguación en el circuito. Se define como la relación entre la potencia almacenada y la potencia disipada en el circuito. Un Q elevado indica un ancho de banda más estrecho para el tanque resonante.


La calidad es un parámetro clave en la ganancia del circuito de tanque y también se le denomina relación de conversión de tensión (M). Mediante la evaluación de las familias de curvas M que se generan cuando se varía l, la frecuencia normalizada, o Q, es posible obtener una indicación de las prestaciones de un convertidor resonante antes de computar todos los parámetros. M se define como:

M(fsw ) = f ( fn, l, Q)

 

Donde:
fN = frecuencia normalizada, f/fr
l = relación de inductancia, Lr/LM
Q = calidad, una función de la impedancia de salida

 

Como se muestra en la Figura 2, el circuito LLC para Q como parámetro tiene dos frecuencias resonantes: una debida a la presencia de Lr y Cr, el inductor y condensador serie a 0,5; y el segundo debido al inductor paralelo Lm. Lr y Cr tienen una frecuencia resonante en fn = 1 (fr) y Lm + Lr y Cr tiene una frecuencia resonante en fn ~ 0.5.

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Entre los diferentes modos de funcionamiento del LLC se encuentran: en resonancia; por debajo de resonancia; o por encima de resonancia. En resonancia, los MOSFET conmutan a la frecuencia resonante dentro de una ventana temporal muy estrecha que viene determinada por los componentes seleccionados para generar muy pocas pérdidas.


Por debajo de la resonancia, el comportamiento del circuito es similar al de resonancia, pero la corriente del tanque se ve limitada por la corriente de magnetización durante una parte del ciclo. Si se utilizan MOSFET para rectificación síncrona en el secundario en lugar de diodos, las puertas deben desconectarse en el momento adecuado. Esto exige generalmente una técnica de sensado de corriente, como la medida de la caída de tensión a través de los MOSFET.


Por encima de la resonancia, en lugar de verse limitada por la corriente de magnetización, la corriente del tanque es mayor que la corriente de magnetización. En esta región, los interruptores síncronos se pueden conectar y desconectar al mismo tiempo que los interruptores en el primario para simplificar el control.
Dado que se utiliza conmutación a tensión cero, las fuentes resonantes LLC se caracterizan de forma inherente por sus bajos niveles de interferencias electromagnéticas y de radio.


Topología de control digital para aumentar la eficiencia
El control digital completo de la conversión de energía y las funciones de gestión del sistema del convertidor resonante LLC se pueden realizar fácilmente utilizando las últimas generaciones de DSC.


Además de los componentes y las secciones que se muestran en la Figura 1, un circuito LLC incluye una entrada CC, red de conmutación, tanque resonante LLC, transformador, rectificador, filtro y carga. La Figura 3 muestra un bucle de realimentación controlado digitalmente para un convertidor resonante LLC en una aplicación de telecomunicaciones. El convertidor LLC se utiliza a menudo en telecomunicaciones como convertidor CC/CC tras un circuito de corrección del factor de potencia (Power Factor Correction, PFC) en un sistema CA/CC. El valor típico de la tensión de salida PFC de unos 400V se puede introducir directamente en el convertidor LLC. El amplio rango de entrada permite utilizar condensadores de almacenamiento de menor tamaño. Las especificaciones de diseño se resumen en la Tabla 1.

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Con unas prestaciones de 40 MIPS y periféricos inteligentes de potencia, un dsPIC33FJ GS proporciona la potencia de computación digital en el convertidor resonante. Entre los periféricos se encuentran un PWM de alta velocidad y 16 bit con características como una resolución de período de 1 ns y salidas con variación de fase.


El circuito de conmutación del diseño de referencia utiliza una topología de medio puente de forma que la tensión de medio puente se mueve entre 0V y Vd de la tensión nominal de 400 VCC. El circuito de tanque resonante incluye un condensador, inductor y la inductancia de magnetización del transformador aislado para reducir el coste de sistema al eliminar la necesidad de un inductor externo. Este diseño también puede utilizar la inductancia de fuga del transformador como segundo inductor y eliminar otro inductor externo para disminuir más los costes.


Si está correctamente sintonizado a la frecuencia de conmutación, el tanque resonante presenta una impedancia finita a la frecuencia fundamental y una impedancia muy alta para el resto de armónicos. La impedancia del tanque produce una deriva de fase entre la tensión y la corriente que permite la ZVS. La Figura 4 muestra la ZVS de los MOSFET en el primario.


El lado secundario se ha diseñado utilizando un rectificador síncrono, en lugar de diodos, para reducir las pérdidas en conducción del secundario. Esto reduce tanto la resistencia directa (Rf) como las pérdidas debido a la tensión directa del diodo. La Figura 5 muestra la forma de onda en conmutación para el rectificador síncrono.


Para la rectificación síncrona, el control digital inicia la conmutación de los FET sin necesidad de circuitería para el sensado de la corriente en el secundario. Esto da como resultado una mayor eficiencia y menor coste para un diseño de rectificador de onda completa. La Figura 6 muestra la eficiencia para el rango de la corriente de carga: la eficiencia del LLC para las dos tensiones de trabajo de entrada indica su insensibilidad a la tensión de entrada. Se alcanza una eficiencia del 80% con una corriente de carga de salida por debajo de 2A, mientras que para cargas más grandes la eficiencia máxima es del 95% y se mantiene extremadamente plana entre 7 y 17A. Otras ventajas son su flexibilidad mejorada para el diseño del compensador mediante un DSC para realizar un arranque suave para el control del ciclo de trabajo.

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Dado que el control de la conversión de energía se realiza fácilmente mediante software reprogramable, ofrece a los diseñadores la capacidad de modificar o adaptar su diseño de manera sencilla, o bien de añadir nuevas funciones nuevas y económicas que crean valor. La precisión del control digital también mejora la fiabilidad de la fuente de alimentación.


Resumen
Las ventajas resultantes de la combinación de convertidores resonantes LLC y control digital mediante DSC permiten a los diseñadores incrementar la eficiencia energética en los convertidores CC/CC para telecomunicaciones y otras aplicaciones de media y alta potencia. Si bien los convertidores resonantes LLC pueden reducir las pérdidas de potencia, el control digital incrementa la eficiencia de la flexibilidad inherente y la fiabilidad del convertidor. La referencia propuesta aporta los fundamentos a partir de los cuales los diseñadores pueden lograr convertidores de mayor eficiencia y un plazo más rápido de comercialización.
Para más información: hay disponible una descripción más detallada del diseño de referencia que utiliza el dsPIC DSC en la nota de aplicación AN1336 de Microchip Technology: DC/DC LLC Resonant Converter Reference Design.

 

Nota: El nombre y el logo de Microchip y dsPIC son marcas registradas de Microchip Technology Inc. en EE.UU. y en otros países. Las restantes marcas citadas petenecen a sus respectivas compañías.

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